Вентильные двигатели

 

       4. Принцип действия ВД 

      Чтобы двигатель устойчиво вращался, необходимо, чтобы он развивал однонаправленный вращающий момент с минимумом пульсаций. Минимум пульсаций момента будет способствовать плавности хода двигателя.

      В обмотку якоря от источника питания  подается ток. В зависимости от распределения  тока по катушкам в зубцовой зоне статора  образуется полюсная система статора (электромагниты), создающие магнитный поток (поле) статора.

      Магнитный поток возбуждения создается  либо постоянными магнитами, либо обмоткой возбуждения.

      Электромагнитный  момент образуется при взаимодействии магнитного потока возбуждения и  фазных токов.

      При совместном действии потоков возбуждения и потоков от токов статора силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре изгибаются.

      Теперь  разными словами об одном и  том же.

      1) Деформация магнитного поля вызовет,  вследствие упругих свойств силовых  линий, появление силы F, которую называют силой Ампера. 

      F=BlI, (1) 

      где В – магнитная индукция в воздушном  зазоре, l – длина пакета, I – ток  в обмотке статора.

      Вращающий электромагнитный момент будет равен  тангенциальной составляющей этой силы, умноженной на плечо 

      М=FтRрот. (2) 

      2) Реализуется известный принцип: разноименные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются.

      3) Возникающий момент стремится  развернуть ротор так, чтобы  вектора потоков якоря и возбуждения  совпали. 

      4) Возникающий момент будет стремиться  развернуть ротор в положение максимального потокосцепления обмоток, по которым течет ток. То есть в положение, когда суммарная длина силовых линий магнитной индукции будет минимальна.

      Таким образом, как и во всех двигателях переменного тока, ротор синхронно вращается вслед за вращающимся полем статора. Для вращения поля статора необходимо переключать фазные обмотки статора в такой последовательности, чтобы вектор потока статора вращался перед потоком ротора.

      Чтобы знать, на какую фазу (секцию) нужно  подключать к источнику питания, необходимо знать текущее положение полюсов ротора (вектора потока возбуждения) относительно осей фаз. Эта информация поступает с ДПР.

      Информация  с ДПР обрабатывается системой управления, и формируются сигналы управления ключами, которые и обеспечивают включание и отключение ключей и соответствующих фаз в нужной последовательности.

      Таким образом, при повороте ротора происходит переключение обмоток, вектор потока статора поворачивается на следующий шаг, и ротор продолжает синхронно вращаться с полем. 

 

       5. Выражения для электромагнитного момента ВД 

      1) При синусоидальном распределении МДС обмоток статора Fc и потока ротора Фр момент взаимодействия каждой фазы статора и потока ротора равен векторному произведению  

      М = [Y x I ] = [Fc x Фр] = Fc*Фр*sin γ, (3) 

      где γ - угол между векторами Fc и Фр.

      Из  выражения следует, что при синусоидальных распределениях МДС и потока максимальный момент достигается при угле γ = 90 эл.град.

      Этот  угол в коллекторных ДПТ постоянен  во времени и равен 90 эл.град. В ВД при согласованной работе коммутатора, управляемого ДПР, вектор Fc совершает колебания и угол между векторами Fc и Ф изменяется в пределах  

      90-Dγ к< γ <90+Dγ к. (4) 

      Угол Dγк зависит от числа фаз и схемы коммутатора. Для трехфазного ВД и мостовой схемы инвертора Dγ к=30 эл.град.

      2) Общее выражение для мгновенного значения электромагнитного момента, создаваемого каждой фазой двигателя:  

       , (5) 

      где W – магнитная энергия, запасенная в электрическом контуре (обмотке) двигателя, qмех – угол поворота ротора ("механический"), ψ, i – мгновенные значения потокосцепления и тока соответствующей обмотки.

      Мгновенное значение ЭДС вращения, индуцируемая в фазе двигателя, может быть записана в виде: 

       , (6) 

      где w - число витков в фазной обмотке

      Знак  минус в выражении (6) здесь условный: нельзя сравнивать направления электрического и магнитного параметра. Поставлен из следующих соображений: ЭДС, индуцируемая переменным потоком, вызывает в цепи ток, являющийся источником потока. Действие тока направлено на уменьшение причины, его вызвавшего. То есть при положительной производной потока, поток реакции якоря будет уменьшать поток, стремясь к тому, чтобы тот не менялся. И наоборот.

      3) Согласно выражениям (5) и (6) мгновенное значение электромагнитного момента, создаваемого токами всех фаз, может быть записано в виде: 

       , (7) 

      где Рэм – электромагнитная мощность ВД.

      Пульсация электромагнитного момента

      В соответствии с выражениями (3) и (4) вследствие малого числа обмоток вектор МДС статора перемещается скачкообразно. Это приводит к изменению угла γ при вращении двигателя и, как следствие, к сильной зависимости электромагнитного момента от углового положения ротора, т.е. к пульсации вращающего момента, которая неблагоприятно влияет на плавность хода двигателя [11].

      Кроме того, существенное влияние на плавность  хода оказывают также реактивные моменты, возникающие за счет неравномерности  магнитной проводимости воздушного зазора по углу поворота ротора. В общем  виде выражение для реактивного момента можно записать следующим образом [11]: 

      Мр=kФdl/dq (8) 

      Зависимость проводимости l от угла поворота ротора, главным образом, обусловлена влиянием зубчатости статора. Для снижения пульсаций момента применяют скос пазов статора. Величина реактивных моментов существенно уменьшается в машинах беспазовой конструкции. Подобное конструктивное решение позволяет также уменьшить величину индуктивности обмотки, повышая, тем самым, линейность механических и регулировочных характеристик [11]. 

 

       6. Характеристики ВД 

      

      Рис.2. Механическая характеристика ВД 

      По  своим статическим и динамическим характеристикам ВД подобен коллекторному  ДПТ. 

 

       7. Электрические машины в составе ВД 

      В составе ВД нашли применение, главным  образом, три типа бесконтактных электрических машин:

      1) Синхронные машины с возбуждением  от постоянных магнитов.

      2) Индукторные машины с обмотков  возбуждения (их также называют  одноименнополюсные или аксиальные).

      3) Синхронно-реактивные машины (вентильный  двигатель на их основе называют также вентильный индукторный двигатель, что вносит путаницу в терминологии названий ВД на базе машин 2 и 3).

      Принципиально возможно использовать в составе  ВД и классическую синхронную машину с электромагнитным возбуждением и даже асинхронную машину. Но в первом случае теряется одно из главных преимуществ ВД – бесконтактность, а в другом случае – сложно реализовать обратную связь по положению ротора.

      В ЭП ЛА наибольшее применение нашли синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

      Используемые магниты. вентильный двигатель достоинство недостаток

      В настоящее время широко используются высококоэрцитивные магниты из сплавов ниодим-железо-бор и самарий-кобальт. Ранее применялись более дешевые литые магниты, например, Альнико, которому свойственно большая остаточная индукция и малая коэрцитивная сила. Это приводило к тому, что такие магниты размагничивались на воздухе. Их необходимо было с использованием специальной оправки после намагничивания помещать в магнитную цепь или намагничивать непосредственно в магнитопроводе (что в ряде случаев технически сложно реализовать). Кроме того, у таких магнитов выше магнитная проницаемость, а следовательно, машины с ними будут иметь выше индуктивность. 

 

       8. Инверторы в составе ВД 

      В многофазных ВД обмотка якоря, как правило, разбивается на трехфазные группы, каждая из которых подключается на отдельный коммутатор. Многофазные ВД (как и ВД с развязанными обмотками) в составе коммутатора имеют большее количество ключей, что, однако, позволяет снизить пульсацию вращающего момента, снизить мощность на 1 ключ [10]. 

      

        а)                             б)

      Рис. 3. Схемы соединения инверторов: а) параллельная; б) последовательная 

      Коммутаторы по отношению к сети могут быть включены как последовательно, так  и параллельно (рис. 3). При параллельном соединении ВД может питаться от низковольтного источника либо развивать максимальную мощность. Последовательное соединение выгодно при питании от высоковольтного источника для создания высокого пускового момента при ограниченном пусковом токе.

      Переход с параллельного соединения на последовательное позволяет осуществить рекуперацию  энергии при торможении магнитоэлектрического  ВД и питании его от автономного  источника питания, например, от аккумулятора [10].

      Коммутаторы подразделяются на однополупериодные с нереверсивным питанием фаз (то есть ток по фазе протекает только в одном направлении) и двухполупериодные с реверсивным питанием. Последние выполняются по мостовой схеме и представляют собой инвертор (при питании от сети постоянного тока) или циклоконвертер (при питании от сети переменного тока). Однополупериодные схемы находят применение в маломощных ВД [10] и в ВД на базе СРД. 

      

      Рис. 4. Трехфазная мостовая схема инвертора 

      Наиболее  эффективной схемой коммутатора  является трехфазная мостовая схема (рис. 4). При относительной простоте коммутатора обеспечивается приемлемое значение пульсаций электромагнитного момента (равномерности вращения) и экономичность. Этот вариант является универсальным для различных случаев применения.

      Мостовой  трехфазный коммутатор осуществляет за период шесть коммутаций, то есть, аналогичен коллектору с шестью пластинами [17].

      Отметим, что кратковременное (неск.микросекунд) открытие всех ключей в двухполупериодной схеме, которое, например, может наблюдаться при спецвоздействиях, приведет к режиму КЗ источника питания и все транзисторы могут быть разрушены. В однополупериодной схеме коммутатора индуктивность секций ОЯ не даст току за это время нарасти до недопустимого уровня [10].

      Силовая часть инвертора выполняется на силовых полупроводниковых приборах:

• на транзисторах (в случае малых и средних мощностей – до десятков киловатт, до нескольких десятков ампер [4]);
• на тиристорах (для средних и больших мощностей – от десятков до тысяч киловатт. Долгое время только они и мог применяться при больших мощностях [25]);
• на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), рассчитанных на токи до нескольких килоампер, напряжение до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше [26].